Điều khiển tốc độ động cơ bằng máy tính

Điều khiển tốc độ động cơ bằng máy tính

Phần mở đầu

Máy vi tính ngày càng giữ một vai trò quan trọng trong các lĩnh vực khoa học kỹ thuật và cuộc sống Do sự phát triển mạnh mẽ cả về mặt phần cứng cũng như phần mềm Cũng vì vậy việc ứng dụng máy tính vào kỹ thuật

đo lường đã đem lại những kết quả rất to lớn Với các thiết bị đo lường khi

đem ghép nối nới máy vi tính có độ chính xác cao, thời gian thu thập dữ liệu ngắn, nhưng điều quan trong nhất là mức độ tự động hoá trong công việc thu nhập cũng như xử lý số liệu từ các kết quả đo rất cao ngay cả trong công việc thống kê hay in ấn kết quả Ngoài ra trong nhiều trường hợp với môi trường làm việc như độ ẩm, nhiệt độ Không phù hợp với con người thì lúc này các hệ đo sẽ được ghép nối với máy tính là không thể thay thế được

Trong đề tài này là những cố gắng bước đầu để xây dựng hệ đo lường

điều khiển ghép nối với máy tính thông qua cổng COM

PhÇn lý thuyÕt

I Đo lường và ghép nối với máy tính qua cổng RS- 232

H1 Sơ đồ khối đơn giản của một hệ đo lường và ghép nối

với máy tính qua cổng RS - 232

Sơ đồ khối đơn giản của một hệ đo lường và ghép nối với máy tính qua cổng RS- 232 như hình 1 Số liệu từ đầu đo là analog sẽ được đưa tới card ghép nối ở card ghép nối này sẽ có bộ biến đổi A/D và sau đó nó sẽ

được biến đổi thành tín hiệu chuẩn của RS-232 Tức là mức +3V đến +12V tương ứng với mức 0 và -3V đến -12V tương ứng với mức 1 Để đưa dữ liệu vào PC qua cổng COM thì ta phải có phần mềm để nhất quán giữa card ghép nối và cổng COM về một tốc độ, cùng một format thông tin SDU

II Thông tin nối tiếp

1 Thông tin nối tiếp với chuẩn RS- 232

Cổng nối tiếp RS- 232 là loại giao diện phổ biến, rộng rãi nhất Người dùng máy PC còn gọi các cổng này là COM1 và COM2 Với COM2 để tự

do cho các ứng dụng khác Giống như cổng máy in và cổng thông qua card ghép nối qua slot mở rộng thì cổng nối tiếp RS- 232 cũng được sử dụng một

Card ghép nối

COM

Đầu đo

cách hết sức thuận tiện cho các mục đích đo lường và điều khiển cũng như khi có một đường dây liên lạc hay một kênh thông tin thì nó có thể có rất nhiều ứng dụng như truyền văn bản qua modem hay fax

Việc truyền dữ liệu qua cổng RS- 232 được tiến hành theo cách nối tiếp, nghĩa là các bít dữ liệu được gửi đi nối tiếp nhau trên một đường dẫn Trước hết, loại truyền này có khả năng dùng cho những khoảng cách lớn hơn, bởi vì các khả năng gây nhiễu là nhỏ đáng kể hơn khi dùng mốt cổng song song Hệ thông tin trao đổi nối tiếp được thực hiện theo các phương thức :

• Đa công: số liệu chỉ được gửi theo một hướng

• Bán song công: số liệu được gửi theo hai hướng nhưng tại mỗi thời

điểm thì chỉ có thể gửi đi theo một hướng

• Song công: số liệu được gửi theo hai hướng thông tin nối tiếp được phân làm hai loại:

+ Thông tin đồng bộ

+ Thông tin không đồng bộ

Trong thông tin không đồng bộ (di bộ), một từ (hay một cụm từ) thì

được truyền hay thu theo từng khung một và khung đó gọi là SDU (serial data unit) Một khung bao gồm:

Cổng nối tiếp RS-232 không phải là một hệ thống bus, nó cho phép

dễ dàng tạo ra liên kết điểm-điểm giữa hai máy cần trao đổi thông tin với nhau Một thành viên thứ 3 không thể tham gia vào cuộc trao đổi thông tin này

DSR(Data set ready) Lối vào RTS(Request to send) Lối ra CTS(clear to send) Lối vào RI(Ring Indicator) Lối vào

H 2 Sắp xếp chân của cổng nối tiếp ở máy tính PC

Từ hình 2 ta thấy ổ cắm RS-232 có tổng cộng 8 đường dẫn và một

đường đất Trên thực tế có hai loại phích cắm 9 và 25 chân, cả hai loại này

đều chung đặc điểm làm việc

Việc truyền dữ liệu xẩy ra ở trên 2 đường dẫn RxD và TxD Qua chân TxD, máy tính gửi dữ liệu của nó đến máy kia Trong khi đó thì máy tính nhận các dữ liệu tại chân nối RxD Các tín hiệu khác đóng vai trò như là những tín hiệu hỗ trợ khi trao đổi thông tin và vì thế không phải trong mọi ứng dụng đều dùng được

Việc truyền dữ liệu : Mức tín hiệu trên chân ra RxD tuỳ thuộc vào

đường dẫn RxD và thông thường nằm ở trong khoảng -12V đến +12V Các bít dữ liệu được gửi đảo ngược lại Mức điện áp đối với mức high nằm giữa -3V ữ -12V và mức Low nằm giữa +3V ữ +12V Trên hình 3 mô tả một dòng dữ liệu điển hình của một byte dữ liệu trên cổng nối tiếp RS- 232

Khi ở trạng thái tĩnh trên đường dẫn có điện áp -12V Một bít khởi

động (bít start ) sẽ mở đầu việc truyền dữ liệu Tiếp đó là các bít dữ liệu riêng lẻ sẽ đến, trong đó những bít giá trị thấp sẽ được gửi trước tiên Con số của các bít dữ liệu thay đổi giữa 5và 8 bít ở cuối của dòng dữ liệu còn một bít dừng (stop bít), để đặt trở lại trạng thái lối ra (-12V)

Bằng tốc độ baud ta thiết lập tốc độ truyền dữ liệu và các giá trị thông thường là 300; 600; 1200; 2400; 4800; 9600 và19200 baud Và ở đây kí hiệu baud tương ứng với số bít được truyền trong một giây Từ đó ta thấy rằng có một bít start và bít stop được gửi cùng bít dữ liệu Nhờ vậy ta có thể biết được tốc độ cực đại của dữ liệu được truyền như vậy với mỗi byte đã có

10 bít được gửi Với tốc độ 9600 baud cho phép truyền nhiều nhất là 960 byte mỗi giây Qua cách tính này ta thấy một nhược điểm không nhỏ của cổng truyền nối tiếp là tốc độ truyền dữ liệu bị hạn chế

Còn với vấn đề nữa là khuôn mẫu (Format) truyền dữ liệu cần phải

được thiết lập như nhau cả ở hai bên (bên gửi và bên nhận) Các thông số

truyền có thể được thiết lập trên các máy PC bằng các câu lệnh trên DOS Ngay cả trên Window cũng có chương trìng riêng để sử dụng nó

Khi đó các thông số truyền dữ liệu như: tốc độ baud, số bít dữ liệu, số bít dừng, bít chẵn lẻ (parity) có thể được thiết lập một cách rất đơn giản Sự trao đổi của đường dẫn tín hiệu ở đây các đường dẫn tín hiệu riêng biệt cũng Start bít Stopbít

H.3 dòng dữ liệu trên cổng RS- 232 với tốc độ 9600 baud

cho phép trao đổi qua các địa chỉ trong máy tính PC Trong trường hợp này, người ta thường sử dụng những vi mạch có mức độ tích hợp cao để có thể hợp nhất nhiều chức năng trên một chip Máy tính PC thường có hệ thu phát không đồng bộ vạn năng UART (Universal Asychronous Receiver/Transmitter) để điều khiển sự trao đổi thông tin giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi Phổ biến nhất là vi mạch 8250 của hãng NSC hoặc các thế hệ tiếp theo chẳng hạn như 16C55O Bộ USAT này có 10 thanh ghi để

điều khiển tất cả các chức năng của việc nhập vào và xuất ra dữ liệu theo cách nối tiếp

- Bus Interface: giao diện bus

- Transmitter Hold Register: thanh ghi dữ truyền

- Transmitter Shift Register: thanh ghi dịch truyền

- Interface Control Baud Generator: máy phát điều kiển tốc độ truyền

số liệu baud

- SDU logic: mạch logic SDU

- Serial data : Số liệu nối tiếp

Truyền 1 SDU có sơ đồ nh− sau:

Thu 1 SDU có sơ đồ nh− sau :

- Bus Interface: giao diện bus

- Receiver Buffer Register: thanh ghi đệm số liệu thu

Bus

Interface

Interface Control Baud Generator

Transmitter Hold Register

SDU logic

Transmitter Shift Register

SDU logic

Receiver Shift Register

H.5 Sơ đồ thu SDU

Serial data

- Receiver Shift Register: thanh ghi dịch truyền

- Interface Control Baud Generator: máy phát điều kiển tốc độ truyền

số liệu baud

- SDU logic: mạch logic SDU

- Serial data : Số liệu nối tiếp

D0 đến D7: đường bus số liệu vào ra hai chiều với VXL

- SIN (Serial in) : lối vào nối tiếp của số liệu vào từ thiết bị ngoài

- SOUT (serial out): lối ra nối tiếp của số liệu đ−a ra thiết bị ngoài

- WR (DOSTR), WRC (DOSTR) hay DOUTS, DOUTS: các lối vào lệnh ghi của VXL , để VXL ghi số liệu hoặc lời điều khiển vào các thanh ghi nội của 8250

- RD (DISTR), RD(DISTR) hay DINS, DINS các lối vào của lệnh đọc

của VXL , để VXL đọc số liệu hoặc từ điều khiển của các thanh ghi nội của

8250

- DDIS ở mức thấp chỉ VXL đang đọc số liệu từ 8250

c) Nhóm tín hiệu nhịp

- XTAL1, XTAL2 : các lối vào của tinh thể thạch anh

- RCLK (Receiver clock) : lối vào xung đồng hồ 16 lần tốc độ baud

- Baudout : lối ra xung nhịp có tần số bằng 16 lần tốc độ baud

d) Nhóm điều khiển modem

- DTR (Data terminal Ready) : sẵn sàng của terminal cho số liệu

- DSR (Data set Ready) : sẵn sàng của bộ số liệu

- RTS (Request to send) : yêu cầu gửi

- CTS (Clear to send) : xoá gửi

- DCD (Detect Carrier Data ): Phát hiện sóng mang số liệu

- RI (Ring Indicator) : chỉ thị chuông

e) Nhóm điều khiển khác

- Điều khiển ngắt

ắ INTR : yêu cầu ngắt

ắ OUT2 : dùng trong máy vi tính PC làm tin hiệu cho phép ngắt chính qua cổng logic

ắ OUT1 : lối ra từ điều khiển modem, cho người sử dụng

- Xoá Vcc, GND, Reset

f) Nguồn nuôi

Sơ đồ mắc của một 8250 với VXL và modem, nh− hình 7 Sơ đồ dùng xung nhịp của máy phát xung nội (lối ra Baudout nối với lối vào RCLK Một số lối vào không sử dụng CADS, DOSTR, CSO,CS1 đ−ợc nối với mức logic 0 và 1 nh− hình vẽ

H.7 Sơ đồ mắc và tín hiệu của 8250

Control Logic

PC Interface Data bus buffer

Receiver buffer registerData format register

Divisor latch regster (LDB)Divisor latch register (MDB)Modem

control registerStatus register modem

Interrup ID register

Transmitter hold register

Serialization status register

Interrup activation registerScratch pad register

Modem control logic

Transmitter control Transmitter shift rigister

SIN SCLK

3.2 Sơ đồ khối

Vi mạch 8250 đ−ợc chia thành các khối chức năng sau :

a) Khối điều khiển ngắt

- Logic điều khiển ngắt

c) Khối điều khiển modem gồm

- Logic điều khiển modem

- Thanh ghi điều khiển modem

- Thanh ghi trạng thái modem

d) Khối thu gồm

- Thanh ghi dịch máy thu

- Bộ ghi đệm máy thu

e) Khối phát gồm

- Thanh ghi đệm máy phát (Bộ ổn định máy phát)

- Thanh ghi dịch máy thu

f) Khối điều khiển chung gồm

- thanh ghi dạng số liệu

- thanh ghi trạng thái nối tiếp

3.3 Các thanh ghi UART 8250

a ) Thanh ghi điều khiển đường truyền (line control register, LCR)

Thanh ghi điều khiển đường truyền còn có tên là thanh ghi định dạng khuôn dữ liệu vì nó quyết định tới khuôn dạng của dữ liệu truyền trên đường dây Với thanh ghi LCR thì việc quy định số bít stop không những phụ thuộc vào giá trị bít D2 mà còn phụ thuộc độ dài mã kí tự

0 : cấm và đồng thời bít 4 không có tác dụng

- Bít 4 : Chon tạo / kiểm tra parity chăn lẻ

1 : parity chẵn

0 : parity lẻ

- Bít 5 : Đảo parity

b ) Thanh ghi đệm giữ phát (transmitter holding register THR)

Ký tự cần phát đi phải đ−ợc ghi từ CPU vào thanh ghi này trong khi bít DLAB =0 Sau đó khi truyền 8250 lấy kí tự từ dây truyền, đóng khung cho nó nh− đã định và đ−a từng bít ra chân Sout

c ) Thanh ghi đệm thu ( Receiver bufer register RBR)

Khi 8250 nhận đ−ợc một ký tự qua chân SIN, nó sẽ tháo bỏ khung cho ký tự và giữ ký tự tại thanh ghi đệm thu để CPU đọc CPU chỉ đọc đ−ợc

ký tự trong thanh ghi này khi bít DLAB = 0

d ) Thanh ghi cho phép tạo yêu cầu ngắt (Interrupt enable register IER)

Thanh ghi này dùng để cho phép cấm các nguyên nhân gây ngắt khác nhau trong khi mạch 8250 hoạt động, có thể tác động đ−ợc tới CPU thông qua chân INTRPT của USRT

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

0 0 0 0 MODEM RLINE TxEMTY RxRDY

Bat 0: Cho phép ngắt khi đệm thu đầy khi = 1

Bít 1 = 1: Cho phép gây ngắt đệm giữ phát rỗng

Bít 2 = 1: Cho Phép các tín hiệu trạng thái đường dây thu gây ngắt Bít 3 = 1: Cho phép các thay đổi trạng thái của modem gây ngắt

11 : Trạng thái đường thu

f ) Thanh ghi điều khiển modem (modem control register MCR)

Thanh ghi này còn được gọi là thanh ghi điều khiển các tín hiệu ra của modem bởi vì nó cho phép ta điều khiển các tín hiệu tại các chân DTR

và RTScủa mạch UART

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

Bít D0 = DTR = 1 ta có thể điều khiển tín hiệu tại chân DTR của mạch 8250 đạt mức tích cực thấp để báo UART sẵn sàng làm việc

Bít D1 : RTS =1 ta có thể điều khiển tín hiệu tại chân RTS của mạch

8250 đạt mức tích cực thấp để báo UART sẵn sàng phát ký tự

Bít D2 : Kích hoạt OUT1 khi = 1

Bít D3 : Kích hoạt OUT2 khi = 1

Bít 4 = 1 Cho phép điều khiển mạch 8250 làm việc ở chế độ nối vòng cục bộ để kiểm tra phản hồi cục bộ

Khi D4 = 1 thì Sout = 1

- SIN của bộ phận thu bị cô lập

- Lối ra của thanh ghi dịch của bộ phận phạt được nối trực tiếp

đến lối vào của thang ghi dịch của bộ phận thu

- Các chân điều khiển vào của modem ( DSR, CTS,RI,DCD) không được nối ra ngoài mà được nối ở bên trong mạch với các chân điều khiển ra của modem (DTR, RTS,OUT2,OUT1) Cách ghép nối này dùng để kiểm tra 8250 bằng cách ghi vào thanh ghi đệm số liệu phát, số liệu lại được ghi vào thanh ghi đệm số liệu thu

g ) Thanh ghi trạng thái modem.( modem status register MSR)

Thanh ghi này còn được gọi là thanh ghi trạng thái vào từ RS- 232 vì

nó cho biết trạng thái hiện thời của các tín hiệu điều khiển modem từ đường dây

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

Dấu Δ đứng trước các tín hiệu là để chỉ ra rằng trong khi 8250 hoạt

động, nếu có sự thay đổi của các tín hiệu đó thì các bít tương ứng sẽ được

lập, riêng đối với tín hiệu RI thì ΔRI chỉ báo rằng sự thay đổi từ mức thấp

lên mức cao

Bít D2 = 1 : nếu RI có biến đổi mức

Bít D4 đến D7 : có giá trị của các bít OUT2, OUT1, DTR, RTS trong

MCR khi bít LOOP = 1

h ) Thanh ghi trạng thái đường dây ( line status register LSR)

Thanh ghi trạng thái đường dây cho biết trạng thái của việc truyền tín

hiệu trên đường dây ra sao Các tín hiệu THRE, BI, FE, PE, OE, RxDR đều

có thể là các nguyên nhân gây ngắt nếu các Bít cho phép tương ứng trong

thanh ghi IER được lập

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

Bít 0 : RxDR : Receiver data ready

1 : đã nhận được 1 ký tự và để nó trong thanh ghi đệm thu (RBR), bít này bị xoá khi CPU đọc thanh ghi RBR

Bít 1 : OE : overrun error : lỗi do thu đè)

1 : có hiện tượng thu đè (có thể do CPU bị chậm) Bít này bị

xoá khi CPU đọc thanh ghi LSR Bít 2 : PE : Parity error (lỗi parity)

1 : có lỗi parity, bít này bị xoá khi CPU đọc LSR

Bít 3 : FE : framing error (lỗi khung)

1 : có lỗi khung (bít stop = 0 chẳng hạn), bít này bị xoá khi

CPU đọc thanh ghi LSR Bít 4 : BI : Break interrupt (có sự gián đoạn trong khi truyền)

Bít 5 : THRE (Transmitter holding register empty) thanh ghi giữ phát

rỗng

1 : khi ký tự đã đ−ợc chuyển từ THR đến TSR, bít này bị xoá khi CPU đ−a kí tự tới thanh ghi THR

Bít 6 : TSRE : Transmitter shift register empty (thanh ghi dịch phát rỗng

1 : khi một kí tự đã đ−ợc phát đi bít này bị xóa khi có một

kí tự đ−ợc chuyển từ THR đến TSR

PhÇn thùc nghiÖm

I tổng quan hệ thống điều khiển

Quá trình điều chỉnh tốc độ động cơ có rất nhiều phương pháp việc điều chỉnh bằng tay hiện nay với các dây truyền sản xuất hiện đại hầu như không còn được ứng dụng nữa mà thay vào đó là các quá trình ổn định tốc độ một cách tự động có sự trợ giúp của máy tính Trong các hệ thống đó có việc lấy tín hiệu phản hồi từ động cơ để điều khiển Trong đồ án này mục đích chính

là thiết kế hoàn chỉnh hệ thống ổn định tốc độ động cơ điện một chiều bằng máy tính Việc ứng dụng máy tính vào quá trình điều chỉnh tốc độ động cơkhông có nghĩa là sẽ vứt bỏ các mạnh điện điều khiển truyền thống, mà máy tính chỉ thay thế con ngườn ở việc điều chỉnh tốc độ động cơ bằng tay

mà thôi , thông qua một hệ thống tự động theo dõi tốc độ động cơ

Từ phân tích trên ta có thể dẫn ra một hệ thống như sau Thông thưòng để điều chỉnh tốc độ động cơ điện ta có thể sử dụng các phương pháp như: thay đổi đIện áp đặt vào phần ứng động cơ hoặc thay đổi từ thông do đặc tính của máy tính là chỉ xử lý với các tín hiệu 0,1 tức là ứng với mức thấp, mức cao của đIện áp Do vậy ta sẽ chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ đIện một chiều (ĐCTĐCĐMC) là thay đổi đIện áp đặt vào cuộn dây phần ứng của động cơ (sẽ có sơ đồ điều khiển ở phần sau) Với sơ đồ điều khiển công việc chủ yếu là thay đổi đIện áp (tín hiệu điều khiển) vào TRANZITOR, qua đó khống chế điện áp đặt vào phần ứng động cơ, tốc

độ động cơ sẽ được thay đổi phù hợp Với hệ thống đang thiết kế công việc chính là phảI làm sao đưa được tín hiệu điều khiển ra một cách tự động, chính xác và ổn định nhanh chóng tốc độ của động cơ

Với sự phân tích trên và qua thực nghiệm ta có sơ đồ tổng quan về hệ thống điều khiển như sau: